冻融条件下粉质黏土中吸附水和自由水动态变化规律

为了研究粉质黏土中吸附水和自由水在冻融时的动态变化特征,探索土体冻融过程中土水之间物理过程。采用新型分层核磁测量技术,开展了含水量（质量分数）分别为21.1%,16.8%和12.0%的粉质黏土在封闭条件下的冻融试验,并采用电子显微镜扫描了冻融后不同深度土体的微观结构。试验结果表明:随着土体冻结过程持续,不同深度土体中自由水和吸附水均减少,且冻结区和非冻结区的自由水相对减少量均大于吸附水相对减少量;土样融化时不同深度土体中自由水和吸附水均增加;此外冻融作用导致冻结区吸附水减少,自由水增加;而未冻结区的吸附水和自由水均减少;冻融后冻结区的孔隙数量和孔隙体积增加,而未冻结区孔隙数量和孔隙体积减小。冻结过程中土体吸附水和自由水动态变化差异与水分子作用势的不均匀空间分布有关;冻融前后土体吸附水和自由水的重分布是水分迁移和土体微观结构变化共同作用的结果。     

考虑裂隙的多孔介质中对流扩散现象的仿真模拟

为研究裂隙多孔介质中的对流扩散现象,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法从孔隙尺度下模拟了裂隙中孔隙水的流动过程,仿真实现了考虑裂隙时溶质穿透多孔介质的真实运移过程,并提出一种简化处理的两流区模型对穿透过程加以描述.计算中首先采用SPH方法求解纳维斯托克斯方程,建立能考虑复杂多孔颗粒边界的二维流场模型,并基于此模型进行了溶质穿透三种不同裂隙宽度的多孔介质的仿真实验.随着介质中裂隙宽度增大,裂隙区域流速与基质区域流速差增大,穿透曲线中早期穿透和拖尾现象越明显;采用两流区模型能够描述这一现象,但一般化的模型难以得到精确解,因此提出一种简化处理办法,并给出了该简化模型的解析解.结果表明,该简化模型能够很好地描述裂隙多孔介质中溶质的运移规律,并可反演得到裂隙流中对流扩散的相关参数.     

用毛管压力曲线确定合理注水强度

油藏合理注水强度是开发好油藏的重要参数之一，用毛管压力曲线确定合理注水强度的计算方法目前国内外很少报道。中运用流体力学原理，将多孔介质中的水驱油过程简化假设成并联毛管中的水驱油过程，基本泊谡叶方程和毛管压力特征，推导了并联毛管中产量分配公式和合理产量计算表达式，建立了用毛管压力曲线确定合理注水强度的计算方法。实例计算表明，采用毛管压力曲线确定出的合理注水强度与油藏实际注水强度基本一致；说明了该方法确定的注水强度具有一定的可靠性和实用性。     

冻融状态下粉质黏土电阻率、未冻水含量及温度关系

以冻结工程现场所取的粉质黏土为研究对象,监测了粉质黏土冻融过程中的电导率、未冻水体积分数、温度随时间的全过程变化,研究了粉质黏土的电阻率、未冻水含量及温度的关系,并提出了冻结粉质黏土电阻率模型,得到了其电阻率与未冻水体积分数(θ)的理论关系.试验研究表明：在粉质黏土冻结过程中,不同初始含水率的土样在相变点之前,土样的电导率随温度的阶梯变化而同步变化,在相变点之后,电导率随θ的变化而同步变化,土样相变点处的电导率、θ和温度都有明显的突变特征.土样在冻融过程中的电阻率和未冻水含量随温度的变化具有相似性,且都存在“滞后”现象.随着初始含水率的增加,土样冻结(或融化)过程中的电活化能整体呈增长趋势;土体在冻结过程中的电活化能明显大于融化过程中的电活化能,土体冻结和融化过程中的电活化能的变化可反映出电阻率的“滞后”现象,且土样冻结和融化过程中的电活化能的差值大小可反映电阻率的“滞后”程度.基于冻土电阻率模型,考虑孔隙水传导路径的曲折性和水分分布的不均匀性,并结合冻结温度位置后的粉质黏土的试验数据,得到了其电阻率与未冻水含量的关系方程.     

基于MicroCT多孔材料图像的3D特征分析("研究生论坛"稿件)

多孔材料的微观孔隙结构是影响其宏观物性的关键因素,对其孔隙空间结构特征进行分析具有重要研究意义,然而传统方法却难以对其三维孔隙结构进行定量表征。为了探讨有效、准确、客观的表征孔隙空间结构特征的方法,在本研究中,采用MicroCT在不破坏样品的前提下获取多孔材料二维断层序列图。将Chan-Vese(C-V)水平集方法拓展到3D空间实现3D图像分割获取多孔材料三维分析模型,在此基础上提取多孔材料3D孔隙参数,如孔体积、孔表面积、孔径、孔隙率、连通率等空间孔隙结构参数。三维孔隙参数能客观准确地描述多孔材料的孔隙结构,为表征多孔材料孔隙结构提供了新的方法。     

人工冻结土体冻胀融沉的模型试验

在分析人工冻结土体与自然冻结土体的冻结差异、比较国内外土体冻融模型试验装置的基础上,介绍了所研制的人工冻结土体冻胀融沉模型试验装置及其应用情况．并利用该试验装置对徐州地区常见的粘土进行了冻结试验,检验了该试验装置的可靠性和实用性;得出了人工冻结土体在冻融过程中土体在垂直方向上的冻胀远小于它在该方向上的融沉等几点结论     

土体冻结过程水分迁移模型的建立与反演

目的为了量化的研究土中水分在冻结过程中的迁移,提出融化过程中水分迁移模型．方法假定非饱和土中水分在冻结过程中主要以水汽扩散的形式发生迁移,在此过程中液态水通过转化为水汽参加迁移．结合室内试验数据,设定冻结锋面以下土层中水汽浓度方程,建立浓度-深度随冻结锋面发展的移动坐标系．为考虑温度梯度的影响,在Fick定律公式的右边乘上温度梯度,得到了修正的非饱和土Fick定律,据此建立了冻结过程的水分迁移模型,编写了计算程序．结果以试验获得的含水量沿深度方向的分布曲线为目标,利用遗传算法反演了模型中的未知参数．把冻结模型的参数代入假设方程中,得到了冻结锋面下部土层中水汽浓度的方程．结论将反演得到的参数带到迁移模型里,计算得到的含水量沿深度方向的分布曲线和试验得到的曲线吻合得较好,说明模型是实际可用的．     

基于LabVIEW的多孔材料透水特性测试系统

为了满足国内对多孔材料性能检测仪器的需求,设计了基于LabVIEW技术的多孔材料透水特性测试系统.该系统以PC机和PLC作为测试平台数据处理和控制核心,对金属多孔材料试件前端水压力和透过金属多孔材料试件水的流量进行测试,拟合Q-P曲线,建立Q-P数学模型.对比实验结果表明,该系统比现在使用系统的实验结果更合理、可靠.     

聚合物驱相对渗透率曲线的特征研究

本文在研究聚合物溶液流经多孔介质时的流变性基础上，确定了聚合物溶液在多孔介质的有效粘度与分流量和相饱和度之间的关系式。从而解决了聚合物吸附／滞留及非牛顿流效应的影响，建立了稳定法测定聚合物驱相对渗透率曲线的实验技术和方法。成功地测得了油／聚合物溶液体系的相渗曲线和注聚合物段塞后的油／水体系的相渗曲线，并确定了适当的相渗曲线经验方程。讨论了聚合物驱相渗曲线的特征，分析了水相中的自由聚合物分子和岩石中吸附／滞留的聚合物对相渗曲线的影响，真实地反映了聚合物驱过程中的多相渗流规律。     

基于颗粒流的富水岩石冻融后拉伸力学行为研究

为了研究岩石冻融作用下的拉伸力学行为,提出基于孔隙水颗粒和颗粒膨胀的方法模拟岩石孔隙水低温相变膨胀过程,推导得到了孔隙水颗粒体积与温度和未冻水含量的关系方程.然后,采用提出的新方法开展了富水岩石冻融循环和冻融后巴西劈裂数值计算,通过与室内试验结果对比验证了提出的岩石冻融颗粒流方法的可行性和可靠性.计算结果表明:冻融循环...     

排水隔水法抗冻措施在衬砌渠道中的应用

阐述了衬砌渠道冻融破坏的原因,介绍了排水隔水法抗冻措施及施工中应注意的问题.     

寒区河流冬季冻结水量估算方法

在分析寒区河流封冻期与畅流期两种退水曲线的基础上，采用差积法来近似估算河网冻结水量，改进了冰厚调查测量和采用融冻期流量过程分割的常规方法。经退水过程概化后，计算得到了简化，并以科后站为例，计算了部分年冻结水量．该方法计算结果较为切合实际。     

季冻区土坡冻融界面土体的抗剪强度参数衰减

季节冰冻区土质边坡在春融期经常发生浅层滑坡,现象表明:一般情况春融期滑坡面位于冻融土体交界面处,冻融界面处的土体抗剪强度直接影响该地区土坡稳定性.设计不同配比材料形成冻融界面的抗剪强度模型试验,得到对应不同土体含水量以及冻融循环次数条件下的剪应力,计算出不同含水量和不同冻融次数条件下对应的c,φ值,依据试验结果提出冻融界面土体抗剪强度参数值随着含水量和冻融次数变化时的损伤模型.研究结果表明,抗剪强度参数随该两影响因素的增加而发生损伤.     

引气混凝土在中国盐湖环境中抗冻性的研究

用快冻法研究了普通混凝土与引气混凝土在水和西藏、内蒙古、新疆和青海盐湖卤水中的抗冻性。结果表明，普通混凝土在盐湖卤水中冻融时，引起冻融破坏的主导因素是盐结晶压，混凝土的抗卤水冻蚀性主要取决于盐结晶压的损伤负效应和卤水冰点降低的损伤正效应。引气产生的气孔不仅能释放水冻胀压，而且能更加显著的缓解盐结晶压，引气能否改善抗冻性主要取决于盐湖卤水的种类和成分。     

Compressibility of fine-grained soils subjected to closed-system freezing and thaw consolidation

In order to investigate the effects of freezing and thawing on the compressibility of fine-grained soils, freezing and thawing tests and subsequent compression tests with fine-grained soils in an oedometer were carried out. During the freezing, a part of the soils is loosened and another part is over-consolidated under the freezing pressure ?E. The compression curves after the freezing and thaw consolidation are neither different from the normal consolidation curve nor from the rebound curve of an unfrozen soil, until the consolidation pressure ?z = ?E is arrived. Based on the experimental results, a theoretical model has been developed to predict the frost heaves, the thaw-settlements and the compressive deformations of fine-grained soils after the thaw consolidation. The theoretical results are very close to the experimental results.     

封冻期流量推求方法的探讨

封冻期径流成分按补给来源分主要以地下水补给为主。根据地下水退水的一般规律,提出了针对天然河道封冻期流量推求方法的建议。在一般情况下,中小河流稳定封冻期流量推求应以实测流量过程线法为主。     

评价土石坝抛石材料的P波差法研究

以三座位于日本北海道的土石坝抛石材料冻融试验数据为基础,对抛石材料的冻融劣化进行了研究.根据岩石结构异向性对岩石冻融劣化的影响规律,提出P波差抛石材料评价新方法,并利用该法对高见、武利大坝的抛石材料进行了评价,其结果与野外现场调查结果非常一致.     

评价土石坝抛石材料的P波差法研究

以三座位于日本北海道的土石坝抛石材料冻融试验数据为基础,对抛石材料的冻融劣化进行了研究．根据岩石结构异向性对岩石冻融劣化的影响规律,提出Ｐ波差抛石材料评价新方法,并利用该法对高见、武利大坝的抛石材料进行了评价,其结果与野外现场调查结果非常一致．     

寒区碾压土多周期冻融循环热水力耦合分析

针对冻融循环条件下工程土体内部发生冰水相变、水分迁移以及温度场变化,进而导致土体变形的问题,提出了冻胀及融沉理论,并建立了基于温度场、水分场以及应力场的耦合方程.通过时域差分法建立三场耦合模型对选定碾压土路基工程实例进行计算.结果表明,计算模型能够准确计算土体温度、水分以及变形情况,并对土体变化进行预测.该模型适用于寒区工程建设中土体多场耦合状态分析,为冻融循环诱发的工程安全问题提供了参考.     

混凝土冻融耐久性劣化与孔结构变化的关系

以冻融循环为试验条件，采用光学显微镜测孔法和压汞法测试混凝土的孔结构，研究不同耐久性的混凝土其抗冻性与孔结构的关系，并研究冻融过程中混凝土性能劣化与其孔结构变化的关系。结果表明，掺入优质引气剂、高效减水剂等外加剂及优质矿物掺合料，可显著改善混凝土的孔结构，从而提高混凝土的抗冻耐久性。